导读：在过去的十年中，在航空航天工业领域应用金属增材制造 (AM) 进行开发变得越来越普遍。增材制造可用于替换、维修、建造大量零件。但一直以来，如何确定零件的最佳增材制造工艺仍没有相关的文档记录或者相关指南。将AM用于航空航天业有许多技术和程序化优势。技术优势包括减少质量、复杂的几何形状（传统制造不可行）、增强的热传递、零件固结和新型高性能合金的使用。程序化优势包括减少零件交货时间和成本、快速的设计故障修复周期、更快的上市时间、减少废料浪费和更低的购买资金。尽管增材制造有许多优点，但在某些应用中它可能并不比传统制造好，应该针对每个零件和生产率进行工艺评估。
2022年8月，南极熊获悉，NASA 工程师最近发表了一篇期刊文章（《Robust Metal Additive Manufacturing Process Selection and Development for Aerospace Components》, Gradl et al.《航空航天部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发》，Gradl 等人），总结了金属增材制造工艺选择的整体方法以及如何成功地将增材制造用于航空航天部件。本文深入了解了增材制造生命周期的每个阶段，并为工程师和团队分析和选择适合其应用的最佳增材制造工艺奠定了基础。
AM生命周期
为零件选择最佳的增材制造工艺，首先要全面了解组件的整个生命周期。增材制造航空航天部件的迭代且高度集成的生命周期步骤是（1）设计和预处理，（2）打印过程（包括工艺参数和原料），（3）后处理，（4）投入使用及资格检查。每个生命周期步骤（及其子步骤如图 1 所示）都会影响流程选择、所需步骤，并影响最终零件的性能。
△AM 航空航天部件迭代生命周期中的主要工艺步骤
设计和预处理
设计步骤不仅包括典型的设计过程，还包括增材制造和模型验证设计（即模型检查和零件询问），以确保导出的模型与原始设计相匹配。在制造步骤之前，设计和预处理步骤就需要在增材制造生命周期中进行大量迭代。在设计中必须考虑增材制造生命周期中的所有后续步骤，包括用于夹具、加工基准、用于粉末去除的端口或用于精加工操作（如抛光）的尺寸特征。整个AM过程应该注意设计阶段，以最大限度地减少成本和迭代。
构建过程
AM 工艺通常具有不同的能源、输入参数和原料要求，这进一步打开了设计市场空间。本文重点介绍当前飞行应用中已经（或正在）使用的增材制造流程。此类金属增材制造工艺的示例如下图所示。这些工艺类别包括粉末床熔融(PBF)、定向能量沉积(DED) 和固态工艺，例如冷喷涂(CS)、摩擦搅拌沉积(AFS ) -D) 和超声波增材制造(UAM)。这些工艺已用于维修、涂层和自由成型零件制造；每种工艺都有独特的优势和局限性。目前使用最多的工艺是激光粉末床熔融 (L-PBF)，其次是 DED（包括激光线材 DED (LW-DED) 和激光粉末 DED (LP-DED)）。每个增材制造工艺的使用量都在迅速增加。增材制造工艺通常是相互补充的，可以相互结合使用，以最大限度地降低整体零件成本和性能。
△各种金属增材制造工艺的特写图像以及沉积/构建方向。(a) 激光粉末床熔融 (Ref)，(b) 电子束粉末床熔融，(c) 激光粉末 DED，(d ) 激光线 DED ，(e) 弧线 DED，(f) 电子束 DED ，(g) 冷喷涂， (h) 摩擦搅拌沉积，(i) 超声波增材制造
后处理
后处理通常涉及多个步骤，包括粉末去除、构建板去除、热处理、机加工、检查、清洁、连接和表面抛光。适当的热处理可消除残余应力并改善其最终应用所需的材料性能。后处理步骤必须针对每个零件、材料和制造方法单独定制。
投入使用及资格检查
将零件投入使用时需要组装、测试、零件鉴定工作和生产计划。零件在役步骤需要知识渊博的工程师在增材制造生命周期的各个方面（设计、预处理、构建过程和后处理）进行详细集成，以满足零件要求。这可能涉及流程之前的设计迭代，提供了优化流程选择和实现性能目标的机会。
工艺选择的市场因素
增材制造工艺选择的市场经济因素分为四个主要领域：(1) 设计特征，(2) 工艺输入，(3) 工艺限制和考虑因素，(4) 冶金和几何考虑因素。设计特征包括合金选择、整体零件尺寸和特征分辨率。过程输入包括原料的类型和属性（化学、粒度分布、线径等）和详细参数。工艺限制和考虑因素包括单合金或多合金的使用、工艺经济性、工艺可用性和工业成熟度。几何和冶金方面的考虑包括后处理（包括配合法兰的机加工、抛光等）和导致最终性能的冶金特性。
△航空航天部件的工艺选择属性。
设计特点
合金原料选择是工艺选择的第一步，并非所有合金都可用于某种工艺，并且合金性能会有所不同。航空航天增材制造金属包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和难熔合金。
整体零件尺寸可能会也是工艺选择的重要参考因素。仅为构建体积选择的工艺不能保证满足最终零件的性能、特征分辨率或材料特性的要求。需要对行业状况进行持续评估，以确定流程的当前构建量。在过去 6 年中，增材制造工艺的构建量大幅增加，一些工艺现在能够构建高达 9 米高和 5 米直径的体积。
每个增材制造工艺的特征分辨率都有范围，并且高度依赖于原料、机器硬件配置和工艺参数。下图显示了与沉积/构建速率相比的特征分辨率。需要明确的一点是，并非所有 AM 工艺都是为最高特征分辨率而设计的，许多工艺旨在提供高沉积速率作为锻造或铸造替代品，并减少总体建造成本。
△基于特征分辨率、构建/沉积率和多合金构建的工艺选择
过程输入
设计师还必须考虑金属增材制造的供应链，特别是起始原料和增材制造加工机器。无论成分、形式或新颖性如何，原料的交付周期都可能很长，在评估整个供应链时必须加以考虑。粉末原料要求取决于增材制造工艺，并且必须根据化学成分和粒度分布 (PSD) 进行控制，以确保流动性和铺展性。其他原料，如线材、棒材或箔材，对于普通合金来说可能很容易获得，但对于定制合金，可能需要更长的交货时间或更高的成本。
大多数增材制造工艺允许使用多种合金，尽管迄今为止，多合金增材制造部件的冶金特性和在飞行应用中的全面实施受到限制。可以针对质量、热、结构或其他设计特征对使用多种合金的构建进行优化，并且可以消除或减少连接或打印后组装操作。
过程限制和注意事项
由于增加的构建时间、构建功能或必要的后处理操作，复杂性会带来许多隐性成本。此外，可检查性通常会随着复杂性的增加而降低。复杂性给后处理操作带来了挑战，例如除粉、加工、抛光和检查，应在整个生命周期内进行评估。随着沉积速率的增加，成本会降低，但特征分辨率也会降低。AM 流程之间的成本交易必须包括竣工复杂性和所需的后处理步骤。例如，接近最终形状的零件可能会以高沉积率快速构建，但由于库存过多，需要额外的加工时间。
最常用的金属增材制造工艺是 L-PBF，数百家公司和服务供应商都可以使用机器。与 LP-DED 相比，使用L-PBF生产零件的供应商要多得多。LW-DED 和弧线 (AW)-DED 都拥有有限的服务供应商商业供应链。冷喷涂的生产工艺机器有限，但随着新机器制造商的出现，市场正在增长。与少数机器供应商的许多其他工艺相比，AFS-D 和 UAM 的开发较少，但所有工艺的研究和工业化正在迅速成熟。
材料和结构
随着金属增材制造工艺成熟并被用于航空航天部件，必须进一步了解微观结构对工艺参数、原料和机器输入的响应。材料特性高度依赖于原料、工艺本身以及热处理等后处理方法。金属加工的变化将对微观结构和材料性能产生重大影响。根据材料的状态、加热和冷却速率或构建操作期间的冷加工，每个过程都会产生不同的微观结构。在实施到飞行应用之前，必须充分了解和锁定构建参数和原料，并在整个热处理和后处理的演变过程中评估微观结构。
△不同金属增材制造工艺的 Inconel 625 的完工微观结构
总结和展望
虽然增材制造在航空航天应用中正逐步走向成熟和工业化，但每个部件制造的时候仍需要单独评估，以确定最适合的增材制造工艺。最终，要仔细关注生命周期的每个步骤，以生产满足冶金特性和性能、几何公差和设计意图的零件，并以最经济的方式获得所需零件。
未来的工作需要将继续关注材料表征和特性，提炼和传播学术研究和行业成果，分析增材制造工艺的优缺点成熟，并最终为商业航空航天应用提供更全面的视角。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s11665-022-06850-0
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